Homogeneizadores – Principio de funcionamiento, uso y ampliación

Los homogeneizadores son un tipo de mezcladores que aplican fuerzas mecánicas para mezclar, emulsionar, dispersar y disolver sistemas líquido-líquido y sólido-líquido. Dependiendo del modelo de homogeneizador, se utiliza cizallamiento rotacional, boquillas o ultrasonidos de alta potencia para crear las fuerzas necesarias para desintegrar y romper partículas sólidas y gotitas de líquido. Más información sobre los homogeneizadores y sus aplicaciones en investigación y producción.

¿Qué es un homogeneizador?

Un homogeneizador es un tipo de dispositivo de mezcla diseñado para romper partículas, tanto sólidas como líquidas, en una mezcla uniforme. Los homogeneizadores están disponibles como equipos de laboratorio, de sobremesa e industriales utilizados para diversas aplicaciones en la investigación y la industria. Las aplicaciones típicas de los homogeneizadores incluyen la mezcla y desintegración de diversos materiales, como partículas, pigmentos, productos químicos, plantas, alimentos, células y tejidos, entre otros.

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Homogeneizador ultrasónico industrial para dispersiones, emulsiones, reducción del tamaño de las partículas y aplicaciones de mezcla.

El MultiSonoReactor MSR-4 es un homogeneizador industrial en línea con ultrasonidos de 16.000 vatios de potencia para aplicaciones exigentes como nano-dispersiones y nano-emulsiones.

Descripción general de los distintos tipos de homogeneizadores

Existen varios tipos de homogeneizadores disponibles en el mercado para su uso en la producción industrial a gran escala y de sobremesa. Sin embargo, los modelos más utilizados son los mezcladores de rotor/estator (coloides), los homogeneizadores de alta presión y los homogeneizadores ultrasónicos.
Las mezcladoras de impulsor o pala tienen una pala giratoria que gira a gran velocidad en el fondo del recipiente de mezcla, combinando así diversos materiales en una mezcla homogénea.
Como su nombre indica, una mezcladora de rotor/estator tiene un rotor y un estator. El rotor es un eje metálico que gira a gran velocidad dentro del estator. El estator es la parte metálica que permanece inmóvil. La rotación del rotor crea un efecto de succión que mueve el material sólido-líquido entre el estator y el rotor, donde los sólidos se reducen a partículas de menor tamaño.
El principio de funcionamiento del homogeneizador de alta presión (HPH) se basa en el uso de una bomba de alta presión y una válvula (boquilla, orificio), lo que hace que el equipo sea grande, pesado y caro. El lodo procesado es forzado con alta velocidad de flujo a través de un pequeño orificio, lo que reduce el tamaño de las partículas, ya que éstas requieren un cierto tamaño pequeño para poder pasar a través de la válvula. Especialmente cuando se procesan sólidos, las HPH son propensas a atascarse.
Los homogeneizadores ultrasónicos utilizan las fuerzas de alto cizallamiento generadas por la cavitación acústica, lo que les confiere diversas ventajas frente a otras técnicas de homogeneización. A continuación se presentan el principio de funcionamiento y las ventajas de la homogeneización ultrasónica.

El vídeo muestra la dispersión ultrasónica del color rojo utilizando el UP400St con una sonda S24d de 22 mm.

Dispersión ultrasónica del color rojo con el UP400St

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Ultrasonidos de alta potencia como fuerza homogeneizadora

Booster ultrasónico y sonda (cascatrode) montados en la bocina del transductor ultrasónico UIP2000hdTUn homogeneizador ultrasónico utiliza vibraciones ultrasónicas de alta intensidad y cavitación para crear fuerzas de cizallamiento muy intensas, por lo que se le puede denominar mezclador superintenso de alto cizallamiento. El secreto de las fuerzas de cizallamiento superintensas es la cavitación acústica, generada por ondas ultrasónicas de alta potencia. Un homogeneizador ultrasónico tiene un generador, que es la fuente de alimentación y la unidad de control, y un transductor. El transductor contiene cerámica piezoeléctrica. Estas cerámicas piezoeléctricas convierten la energía eléctrica en oscilación, ya que los cristales piezoeléctricos cambian de tamaño y forma cuando se aplica tensión. Cuando la frecuencia del oscilador electrónico es igual a la frecuencia natural del cuarzo piezoeléctrico, se produce la resonancia. En condiciones de resonancia, el cuarzo produce ondas ultrasónicas longitudinales de gran amplitud.
A continuación, las ondas ultrasónicas generadas se acoplan a través de la sonda ultrasónica (sonotrodo / bocina) en el medio de proceso. La amplitud en la sonda ultrasónica determina la intensidad de las ondas ultrasónicas, que se transmiten al líquido o lodo. Las ondas ultrasónicas generan ciclos alternos de alta y baja presión en el medio líquido. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad producen pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Durante el ciclo de alta presión, las pequeñas burbujas de vacío se colapsan destructivamente. Este fenómeno se denomina cavitación. La implosión de las burbujas de cavitación también puede generar chorros de líquido con una alta velocidad de hasta 280 m/s, lo que da lugar a potentes fuerzas de cizallamiento. Las fuerzas de cizallamiento rompen las partículas, provocan colisiones entre ellas y desorganizan mecánicamente las gotitas y las células, favoreciendo al mismo tiempo una transferencia de masa muy eficaz. Estas fuerzas de cavitación producen dispersiones, emulsiones y suspensiones uniformes y homogéneas, y también se sabe que favorecen las reacciones químicas (la llamada sonoquímica).

Cavitación acústica o ultrasónica: crecimiento e implosión de burbujas

La cavitación acústica (generada por ultrasonidos de alta potencia) crea localmente condiciones extremas, los llamados efectos sonomecánicos y sonoquímicos. Debido a estos efectos, la sonicación reduce las partículas sólidas y líquidas y las mezcla en una formulación homogénea.

Cavitación ultrasónica en el ultrasonicador UIP1000hdT (1kW) de Hielscher

Cavitación ultrasónica en la sonda cascatrode del ultrasonicador UIP1000hdT (1000 vatios, 20 kHz) en un reactor de vidrio. La luz roja del fondo se utiliza para mejorar la visibilidad de la cavitación.

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homogeneizadores ultrasónicos – Ventajas

Los homogeneizadores ultrasónicos son superiores cuando se trata de la producción de sólidos-líquidos (los llamados lodos) y suspensiones y soluciones líquido-líquidas. Dado que los ultrasonidos utilizan el principio de funcionamiento de la cavitación ultrasónica, el material debe estar húmedo o en fase húmeda, ya que la cavitación sólo se produce en líquido. Esto significa que un ultrasonicador no sería muy eficaz para mezclar un polvo seco, pero en cuanto el polvo se humedece, la sonicación es el método más eficaz para la mezcla. Los homogeneizadores ultrasónicos son bien conocidos por mezclar, homogeneizar y dispersar de forma fiable incluso pastas y materiales muy viscosos. Las fuerzas extraordinariamente intensas causadas por la implosión de las burbujas de cavitación crean no sólo fuerzas de cizallamiento muy potentes, sino también altas temperaturas y presiones localmente confinadas, así como los respectivos diferenciales. Esta combinación de fuerzas físicas desintegra las partículas hasta tamaños mucho más pequeños que un homogeneizador convencional. Por lo tanto, los homogeneizadores ultrasónicos son los equipos preferidos para la producción fiable de emulsiones y dispersiones de tamaño nanométrico.

Ventajas de la homogeneización por ultrasonidos

  • excelente eficacia
  • capaz de proporcionar una energía altamente concentrada
  • resultados superiores en micras y nanómetros
  • para emulsiones y dispersiones de tamaño micrométrico y nanométrico
  • cualquier volumen, desde mL hasta toneladas/hora
  • por lotes y en línea
  • para paso único y recirculación
  • control preciso del proceso
  • funcionamiento sencillo
  • fácil limpieza
  • bajo mantenimiento
Los ultrasonidos intensos producen burbujas de cavitación en el agua. El posterior colapso de las burbujas de cavitación produce un cizallamiento mecánico extremo en el líquido. Este efecto altera las células, por ejemplo para la extracción botánica, o rompe las gotas de aceite en el agua a un tamaño muy pequeño (emulsificación). El efecto de cavitación convierte a los homogeneizadores ultrasónicos de Hielscher en un medio muy eficaz para la dispersión, homogeneización, emulsificación y extracción. Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrasónicas desde 50 vatios hasta 16000 vatios para cubrir los procesos de ultrasonidos en el laboratorio y en la producción a gran escala.

Cavitación ultrasónica en agua (homogeneizador ultrasónico de 1000 vatios)

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Aplicaciones de los homogeneizadores ultrasónicos

Los homogeneizadores ultrasónicos se utilizan ampliamente en laboratorios e instalaciones industriales para homogeneizar suspensiones sólido-líquido y líquido-líquido, reducir el tamaño de las partículas, alterar y extraer material biológico, intensificar reacciones químicas y disolver compuestos solubles.

Emulsificación ultrasónica

La emulsificación es el proceso de mezclar dos o más líquidos inmiscibles para preparar una mezcla estable o semiestable. En general, estos dos líquidos constan de una fase oleosa y una fase acuosa (agua). Para estabilizar la mezcla de las distintas fases líquidas, se añade un emulsionante (surfactante / co-surfactante). El tamaño de las gotas de una emulsión desempeña un papel crucial en su funcionalidad y estabilidad. Dado que los ultrasonidos crean fuerzas sonomecánicas que rompen las gotas y las reducen a gotas diminutas, la sonicación es un método muy popular para la producción de microemulsiones y nanoemulsiones. Los homogeneizadores ultrasónicos son una herramienta fiable para la producción de emulsiones O/W y W/O, emulsiones inversas, emulsiones dobles (O/W/O, W/O/W), miniemulsiones, así como emulsiones Pickering. Gracias a esta flexibilidad y a su fiable capacidad emulsionante, los homogeneizadores ultrasónicos (a veces también denominados emulsionadores ultrasónicos cuando se utilizan para emulsionar) se emplean, por ejemplo, en la industria química, alimentaria, farmacéutica y de combustibles para producir emulsiones estables a largo plazo.
Haga clic en los siguientes enlaces para obtener más información Nanoemulsiones y Emulsiones Pickering!

Dispersión ultrasónica

Los homogeneizadores ultrasónicos son muy eficaces cuando es necesario reducir de forma fiable el tamaño de aglomerados de partículas, agregados e incluso partículas primarias. La ventaja de los homogeneizadores ultrasónicos es su capacidad para moler partículas hasta tamaños más pequeños y uniformes, ya se trate de micropartículas o nanopartículas. Las fuerzas de cizallamiento cavitacional y las corrientes de líquido aceleran las partículas de modo que chocan entre sí. Esto se conoce como colisión entre partículas. Las propias partículas actúan como medio de molienda, lo que evita la contaminación por bolas de molienda y el posterior proceso de separación, necesario cuando se utilizan molinos de bolas convencionales. Dado que las partículas chocan por colisión interpartículas a velocidades muy altas, de hasta 280 m/seg, se aplican fuerzas extraordinariamente elevadas a las partículas, que se fragmentan por tanto en fracciones diminutas. La fricción y la erosión confieren a esos fragmentos de partículas una superficie pulida y una forma uniforme. La combinación de fuerzas de cizallamiento y colisión entre partículas confiere a la homogeneización y dispersión por ultrasonidos la ventaja de producir suspensiones y dispersiones coloidales altamente homogéneas.
La secuencia de imágenes siguiente muestra las fuerzas de cavitación de los ultrasonidos sobre las escamas de grafito.

Exfoliación ultrasónica del grafeno en el agua

Secuencia de alta velocidad (de a a f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sono-mecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un ultrasonidos de 200 W con sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de la división (exfoliación) con burbujas de cavitación que penetran en la división.
Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Dispersión y homogeneización de nanomateriales

Tanto para las emulsiones como para las dispersiones, la preparación de mezclas de tamaño nanométrico es una tarea difícil. La mayoría de las técnicas convencionales de homogeneización y mezcla, como los mezcladores de cuchillas, los molinos de bolas, los homogeneizadores de alta presión y otros mezcladores, son capaces de producir partículas de tamaño micrométrico, pero no pueden romper de forma fiable las gotas y los sólidos hasta el tamaño nanométrico. Esto se debe sobre todo a una intensidad insuficiente. Por ejemplo, los mezcladores de cuchillas no proporcionan suficiente cizallamiento para romper las partículas hasta el tamaño nanométrico. Los molinos de bolas, otro tipo de homogeneizador, no pueden moler los sólidos uniformemente hasta un tamaño de partícula más fino que el de las propias bolas (bolas de molienda). Las perlas de molienda convencionales tienen un tamaño medio de entre 1.500 mm – 35.000 mm. Otro problema es la contaminación por desgaste del medio de molienda. Dado que los ultrasonicadores proporcionan fuerzas de cizallamiento extraordinariamente altas, pero controlables con precisión, la cavitación por ultrasonidos es la técnica preferida para la producción fiable de nano-dispersión y nano-emulsiones en laboratorio (R&D), piloto e industrial.

Para obtener información sobre otras aplicaciones de los homogeneizadores ultrasónicos, haga clic en los siguientes enlaces.

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La dispersión de sílice mediante un homogeneizador ultrasónico produce una distribución de partículas estrecha y homogénea.

Las dispersiones ultrasónicas muestran una distribución granulométrica uniforme con partículas homogéneamente reducidas. Las curvas muestran la distribución de partículas de sílice antes del ultrasonido (curva verde) y después de la dispersión ultrasónica (curva roja).

Ampliación de los procesos de homogeneización por ultrasonidos

Al escalar de un homogeneizador ultrasónico de laboratorio a un ultrasonicador piloto, y de un sistema piloto a un homogeneizador ultrasónico de producción a escala completa, ¡el escalado puede aplicarse de forma completamente lineal! Todos los parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de procesamiento, se mantienen constantes; sólo la superficie de la sonda ultrasónica y el ultrasonido como agitador energético de la sonda se escalan a unidades más grandes y potentes. La escalabilidad lineal de los procesos de homogeneización por ultrasonidos permite obtener en la gran producción los mismos resultados de alta calidad que en los entornos de laboratorio y piloto.

¡Encuentre el homogeneizador ultrasónico más adecuado para su proceso!

Hielscher Ultrasonics es su socio de larga experiencia en homogeneizadores ultrasónicos. Todos los homogeneizadores por ultrasonidos de Hielscher se diseñan, fabrican y prueban en nuestra sede central de Alemania antes de enviarlos a nuestros clientes de todo el mundo. Los homogeneizadores por ultrasonidos de Hielscher son aparatos de alta calidad caracterizados por un alto rendimiento constante, fiabilidad, robustez y facilidad de uso. La sofisticación técnica de la tecnología de homogeneización por ultrasonidos proporciona a los usuarios de los equipos Hielscher ventajas competitivas que los convierten en líderes del mercado en su sector. Con la amplia gama de productos, desde homogeneizadores de laboratorio y de sobremesa, sistemas piloto y homogeneizadores ultrasónicos totalmente industriales para producciones comerciales, Hielscher tiene el sistema de mezcla por ultrasonidos ideal para sus necesidades. Los accesorios del colector permiten la configuración ideal del homogeneizador ultrasónico – ajustarse a las necesidades individuales.
Indíquenos sus requisitos y especificaciones de proceso – estaremos encantados de recomendarle el homogeneizador ultrasónico más adecuado y eficaz para su aplicación.

Homogeneizadores ultrasónicos de alta eficacia

Gracias a la extraordinaria eficacia del proceso, los costes de inversión razonables, la altísima eficiencia energética y los bajos costes de mano de obra y mantenimiento, los homogeneizadores ultrasónicos de Hielscher superan a las técnicas de homogeneización convencionales y consiguen un rápido RoI (retorno de la inversión). A menudo, un homogeneizador ultrasónico se amortiza en pocos meses.

Ultrasonidos de alta potencia para la homogeneización industrial

Homogeneizador ultrasónico con reactor para procesamiento en línea.La amplitud es el parámetro más importante en los procesos de homogeneización por ultrasonidos. Todos los ultrasonidos de Hielscher permiten un control preciso de la amplitud. Dependiendo del objetivo del proceso, se puede ajustar una amplitud más baja para condiciones de procesamiento más suaves o se elige una amplitud alta para resultados de dispersión más destructivos. Los sonicadores industriales Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.

Los homogeneizadores ultrasónicos requieren poco mantenimiento

Los homogeneizadores ultrasónicos no sólo son fáciles de limpiar, ya que el sonotrodo y el reactor son los únicos componentes que son partes húmedas y entran en contacto con el material procesado. El sonotrodo (también conocido como sonda o bocina ultrasónica) y el reactor están fabricados en titanio y acero inoxidable, respectivamente, y tienen geometrías limpias sin orificios ni esquinas muertas.
La única pieza sujeta a desgaste es la sonda de ultrasonidos, que puede sustituirse sin interrumpir significativamente el funcionamiento. El sonotrodo de un ultrasonicador de laboratorio se cambia en unos 10 minutos, mientras que el cambio de un sonotrodo de un homogeneizador ultrasónico industrial puede llevar unos 30-45 minutos.

Póngase en contacto con nosotros Nuestro experimentado equipo estará encantado de proporcionarle información técnica y recomendaciones relacionadas con el proceso.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
0.3 a 60L 0.6 a 12L/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Utilice el siguiente formulario para solicitar información adicional sobre procesadores ultrasónicos, aplicaciones y precio. Estaremos encantados de hablar con usted sobre su proceso y ofrecerle un sistema de ultrasonidos que cumpla sus requisitos.









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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

 

Preguntas frecuentes sobre homogeneizadores

  • ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un homogeneizador? Un homogeneizador aplica fuerzas de cizallamiento a líquidos, suspensiones y lodos. El cizallamiento reduce el tamaño de las partículas de las mezclas sólido-líquido y líquido-líquido y produce distribuciones uniformes del tamaño de las partículas. Los homogeneizadores pueden producir emulsiones o dispersiones estables.
  • ¿Cuál es el principio del proceso de homogeneización? El principio fundamental de la homogeneización consiste en aplicar una fuerza mecánica, como la vibración ultrasónica y la cavitación, a una mezcla heterogénea para descomponer las partículas en un tamaño uniformemente fino, consiguiendo una mezcla consistente y estable que evite la separación con el paso del tiempo.
  • ¿Cuál es el objetivo principal de la homogeneización? El objetivo principal de la homogeneización es mejorar la estabilidad y consistencia de un producto reduciendo el tamaño de las partículas. Este proceso mejora las propiedades físicas de la mezcla, como la viscosidad, la textura y la vida útil, por lo que resulta crucial en la elaboración de alimentos, productos farmacéuticos y cosméticos.
    Más información sobre homogeneizadores ultrasónicos de alimentos
  • ¿Qué es la homogeneización por ultrasonidos? La homogeneización ultrasónica utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para inducir la cavitación en un medio líquido, lo que da lugar a intensas fuerzas de cizallamiento que rompen las partículas a nivel microscópico. Este método es especialmente eficaz para la disrupción celular, la dispersión de nanopartículas y la emulsificación.
  • ¿Qué es la sonicación para la homogeneización? La sonicación para la homogeneización consiste en aplicar energía ultrasónica a las muestras para conseguir una mezcla fina y uniforme. Este proceso es eficaz para dispersar, emulsionar y reducir el tamaño de las partículas dentro de un fluido, ampliamente utilizado tanto en contextos de investigación como industriales.
  • ¿Cuáles son los 2 tipos de métodos de sonicación? Los dos tipos principales de métodos de sonicación son la sonicación directa y la sonicación indirecta. La sonicación directa consiste en sumergir una sonda directamente en la muestra, mientras que la sonicación indirecta se produce en un baño en el que las muestras se colocan en un recipiente sumergido en un fluido apto para la sonicación. La sonicación directa suele ser más intensa y más eficaz para la homogeneización que la sonicación indirecta.

Literatura / Referencias

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